水力劈裂对高混凝土重力坝影响的试验研究
时间：2023-03-10 08:35:06 来源：千叶帆 本文已影响人
计 阳
(南水北调中线实业发展有限公司，北京 100000)
绝大部分混凝土坝体都存在着一定的裂缝，在已建工程中出现过裂缝扩张，这些问题最终会由于高水头的静水压力产生渗漏，继而引发渗透破坏，最终威胁大坝的安全。当施加液压使有效应力降至零度或零度以下时，土壤中就会发生水力压裂，这种现象在灌浆工业中广为人知，因为灌浆压力过大，钻孔中的浆液流失。在大坝中，如果由于储存的水而产生的孔隙压力足够高，能够将坝体的有效应力降低到零或零以下，则水力压裂就可能在坝的薄弱处发生。研究表明，水力压裂是大坝溃坝的原因之一[1-3]。
对于混凝土裂缝扩展的研究大多数为采用各类力学模拟软件进行的数值模型研究[4]。王洋等[5]应用ANSYS有限元软件，模拟了混凝土受到不同荷载时裂缝扩张情况。基于实验的测算研究较少，模型软件尽管建立模型和施加连续的荷载变量很容易，但对于坝体实际的状况可能模拟不到位。因此，本文根据实际的坝体受力情况，设计荷载实验。本文的研究重点是模拟高混凝土重力坝坝踵表面由水力劈裂对水平裂缝的影响研究，主要内容包括实验测试装置的运行操作及测量实验步骤；
记录施加不同应力时混凝土强度的试验结果；
分析和讨论不同标准设计下重力坝水力劈裂的安全性。
混凝土重力坝在平面上来看，其纵向长度远大于横向距离。但实际上，坝体是分段浇筑的，且以横截面受力情况来分析，也是属于平面应力结构。因此，对于高混凝土重力坝(H>200 m)，但其厚度为10～20 m，受力情况见图1。
图1 重力坝裂缝周围的应力状态
根据坝体横截面的受力情况，制作圆柱体混凝土试件，见图2。具体尺寸数据均已在图2中标明，且设置了一个“圆盘”型的裂缝，裂缝直径为150 mm，用以模拟在坝体中的实际裂缝。在左右两边预埋两根钢管至圆盘底下，用以施加静水压力，作为水力劈裂的荷载。另外，在圆柱体的上下两个截面上施加轴向荷载，以模拟混凝土自重产生的压力，部分地方可能会产生拉应力。
图2 单轴应力水压致裂试验混凝土试件(单位：mm)
图3为模具部件包含的预埋锚杆。在锚杆周围以及在最后的末端节点处将产生集中应力，集中应力地方如果过于靠近裂缝，会影响裂缝的扩张，所以尽量将试件的长度加大一点，达到3倍以上。
图3 有裂纹试样的模具部件(单位：mm)
为了形成图2所示的裂缝，将两块直径均为150 mm的圆形不锈钢板堆叠在一起，形成一个圆盘形缺口，浇筑进入混凝土试件中。试件的制备过程见图4，混凝土配合比设计符合混凝土重力坝项目的要求。试件在相应条件下静置7天后，待试件稳定后进行实验。在测试完水管的流通性之后，将所有试样均存放在蒸汽室中，保持试件的含水率、强度等不受外界的影响干扰，以便进行下一步的实验检测。表1给出了实验混凝土试件的骨料粒度分布(GSD)以及水灰比和其他两种外加剂的含量；
表2为具体的荷载情况和混凝土的抗压(拉)强度。
图4 试验装置照片
表1 混凝土成分
表2 水力压裂试件
从试验室取出试样后，将其固定在15 000 kN的试验机上。试样的进水口与液压加载装置相连，出水口与水压传感器相连。需要注意的是，试样的进水口和出水口应向下，以确保水管中的空气可以完全排除。试验前，试样表面应风干，以便观察漏水情况。通过试验机对试件施加恒定载荷以模拟垂直应力σy，然后通过液压加载装置在试件裂缝处施加可变水压。每个阶段的水压都会增加，直到达到最终值。水压的典型增量见图5。同时，必须确保试验为准静态荷载，且水压应在每个阶段保持恒定至少1 h，以便水压有时间发展，使水可以到达每个微缺陷。这种设置与重力坝上的实际情况非常接近，因为水库中的水位变化通常非常缓慢。
在混凝土断裂力学理论中，混凝土裂缝的完整荷载-位移曲线见图6。只有在位移控制试验的情况下，才能获得峰后响应。但本文中的测试是由负载控制的，只能记录荷载-位移曲线的发展部分，且传感器可检测到的最大水压等于导致混凝土试样水力破裂的临界值，即图6中的Pmax值。
图5 水压增加的图示
图6 混凝土的完整荷载-位移曲线
以试样Ⅳ为例，当水压增加至3.2 MPa时，试件表面细微处的裂缝开始逐渐渗水，大约15 min后，裂缝出现较大扩张，直接从渗流变为喷射，之后检测到内部的水压暴跌，见图7。因此，引起水力压裂的水压临界值为3.2 MPa。图8为试验后的试样。应注意的是，试样表面上的裂纹与先前嵌入的裂纹大致平行，这是因为在以前的试验中，最大混凝土骨料尺寸小于30 mm，并且小于本工程中的最大骨料(80 mm)。粗骨料周围的迂回导致图7中裂缝的倾斜。
图7 试样表面上的泄漏
图8 试验后的试样
试验结果见表3。
表3 不同试样的水力压裂总结
由表3可知，裂缝扩展与混凝土强度和荷载条件有关。基于表3测试结果，在数据分析中采用普通最小二乘法(OLS)，并拟合相应公式：
pw=0.6ft+σy+a
(1)
其中：pw为水力压裂下的临界水压，MPa；
ft为混凝土的单轴抗拉强度，MPa；
σy为试样两端的压缩压力，MPa,对于拉伸压力，σy为负；
a为恒定系数，MPa，为了与本研究中5个样本的结果相匹配，a取0.32 MPa。
式(1)的左侧为水力压裂的驱动载荷，右侧为阻力。可以看出，混凝土抗拉强度的60%左右贡献于抗力，竖向压应力σy可以线性增加抗力，如果σy为拉应力，则线性降低抗力。试验结果表明，水力压裂的临界水压为1.5～3.2 MPa，与高重力坝(H>200 m)上的最大水压(水库水头)相似，并根据重力坝坝踵处的应力情况进行了试验设计。试验证明，水力压裂是高重力坝上的一个实际问题。此外，式(1)表明混凝土强度不会有效提高抗水力压裂能力。因此，在水力劈裂的情况下，垂直应力是改进重力坝设计的关键。
现行设计规范在考虑200 m以上重力坝水力劈裂时，可能存在大坝安全问题，现行规范对高重力坝设计应进行改进。如果大坝上游表面上的垂直应力表现为压应力，则有利于抵抗水力压裂，这将是改进设计规范的关键，但需要进行更多的研究来量化垂直应力σy。在本研究中，仅进行了一次复制(即表3中的试样Ⅰ-R)，这无法完全验证试验结果的可靠性，因此增加样本数量在未来的研究中意义重大。
本文提出了一种研究重力坝水力劈裂的试验方法。利用高重力坝工程混凝土，模拟重力坝踵的应力状态，进行了一系列不同混凝土强度和单轴应力的水力劈裂试验。结果表明，裂缝周围的垂直应力对水压致裂有重要影响，只有约0.6倍的抗拉强度对试件的抗水压致裂性能有贡献。试验还表明，如果重力坝非常高(H>200 m)，水库水头将导致大坝上游表面裂缝处的水力压裂。因此，在高重力坝设计中，应考虑水力劈裂的影响。
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